注水開發(fā)井套管的選擇

張 毅，李 晶

（無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司，江蘇 無錫 214028）

注水開發(fā)井套管的選擇

張 毅，李 晶

（無錫西姆萊斯石油專用管制造有限公司，江蘇 無錫 214028）

分析了注水開發(fā)井套管損壞的特點；提出了解決注水開發(fā)井套管損壞的主要途徑，即開發(fā)并合理選用高抗擠套管。選擇高抗擠套管的具體方案是：對于2 000 m以內(nèi)的淺井，既可以考慮在油層井段、注水裂縫地層段和油層以上的上覆巖層壓力地層段使用抗擠油層套管，也可以考慮通井使用；對于3 000～4 500 m的中深井，分為油層套管井段和各種巖層的封固段兩種情況進(jìn)行選擇；對于5 000～8 000 m的深井、超深井，分為油層套管井段、各種復(fù)雜地層的封固段、尾管段以及超深井多層套管柱4種情況進(jìn)行選擇。

油田；注水開發(fā)；套管損壞；高抗擠套管；抗擠強度

注水開發(fā)是油田開采中后期最常用的一項增產(chǎn)、保產(chǎn)措施，注水施工引起的套管損壞問題是注水開發(fā)工程的難題。油田注水開發(fā)中，注水壓力通常在10 MPa左右，生產(chǎn)壓力差1.2 MPa［1］，引起套管損壞的主要原因是注水引起的地層蠕動，導(dǎo)致套管以錯斷或變形的形式損壞。由于油層中流體被開采出來，需要數(shù)年或數(shù)十年不斷注水補充能量，巖石的彈性應(yīng)變大量釋放，從而形成一個低的應(yīng)力異常區(qū)，周圍高壓應(yīng)力區(qū)的擠壓常常致使油井套管大量損壞。

注水開發(fā)是一個動態(tài)過程，在開發(fā)過程中整個地層巖石的物理性能、力學(xué)性能以及整個地層的位移場、應(yīng)力場、溫度場、流場等都將發(fā)生變化，這些變化將直接影響套管的使用壽命，特別是地層的位移場和應(yīng)力場發(fā)生較大的改變時，套管本身的強度已不足以抵抗整個地層的變形和由此產(chǎn)生的應(yīng)力，套管就可能發(fā)生錯斷、縮徑、彎曲變形等多種形式的失效［2］。開發(fā)并合理選用高抗擠套管可以有效地解決上述難題。

1 注水開發(fā)井套管損壞的特點

根據(jù)油田現(xiàn)有的地層地質(zhì)資料，初步選擇青海省躍進(jìn)二號東高點油田II173—II146井橫剖面（圖1），分析注水開發(fā)井套管損壞特點。

圖1 躍進(jìn)二號東高點油田II173—II146井區(qū)的地層幾何模型

該剖面具有以下特點：

（1）穿越整個油田區(qū)塊。

（2）地層地質(zhì)資料較詳細(xì)（油田開發(fā)處于中后期）。

（3）其斷層發(fā)育及地層層序能代表整個油田。

（4）跨越井眼數(shù)多，多井有不同程度損壞。

（5）剖面上有套管損壞井，并在注水井附近。剖面中貫穿了序號為2、4、6、7、8、18共6個斷層，這6個斷層也正是整個油田的大部分主要斷層。油田為了補充地層能量和穩(wěn)定增產(chǎn)的目的而采用了注水開發(fā)，注水壓力為10 MPa，生產(chǎn)壓差1.2 MPa，兩個注水高壓區(qū)正好在斷層號6和8上。II173—II146井的注水位置和剖面飽和度分布情況如圖2所示，從剖面飽和度分布來看，注水區(qū)域的飽和度明顯較高，而生產(chǎn)井的射孔段附近的飽和度較低，可見斷層的孔隙率較大，注入水迅速進(jìn)入斷層，地層的孔隙壓力發(fā)生了變化，使得斷層內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于附近地層的上覆巖層壓力，斷層附近地層內(nèi)壓成為高壓區(qū)，生產(chǎn)井的射孔段附近的地層由于長期采出致使飽和度低，處于低壓區(qū)，引起地層向低壓區(qū)的較大位移。

（6）在斷層裂縫附近分布著地層最大等效應(yīng)力，因而套管在斷層附近最易發(fā)生損壞，套管損壞形式多表現(xiàn)為錯斷、縮徑、彎折變形等。

圖2 II173—II146井的注水位置和剖面飽和度分布情況

總之，注水開發(fā)井的套管損壞主要發(fā)生在距油層段較近的斷裂地層裂縫附近的井段，以及存在泥巖層、鹽巖層或膏巖層的井段，主要形式表現(xiàn)為錯斷、縮徑、擠扁、失圓、不均勻變形以及附加彎曲的折彎，其中錯斷、折彎、擠扁等大位移變形多發(fā)生在注水開發(fā)斷層裂縫地應(yīng)力作用井段，而失圓、縮徑等易發(fā)生在巖層蠕變作用井段［3］。注水開發(fā)井套管損壞管體變形概率大于接頭處，表明接頭處抗擠強度優(yōu)于管體，接頭的失效形式多表現(xiàn)為脫扣斷裂。適當(dāng)提高套管的抗擠強度，可以有效地預(yù)防注水開發(fā)井套管的損壞。

2 解決注水開發(fā)井套管損壞的途徑

適當(dāng)提高套管的鋼級、壁厚，即提高套管的抗擠強度是有效預(yù)防注水井套管損壞的主要途徑，但是套管擠毀不僅與管材的抗擠性能有關(guān)，還與外壓載荷相關(guān)。

影響套管抗擠強度的各因素按嚴(yán)重程度排序如下：不均勻載荷∧彎曲載荷∧軸向拉力∧殘余應(yīng)力∧不圓度∧壁厚不均度；提高套管抗擠強度的各因素按貢獻(xiàn)度排序如下：增加壁厚∧提高屈服強度∧降低殘余應(yīng)力∧提高圓度∧減小壁厚不均度［4-5］。

高抗擠套管的臨界抗擠強度隨徑壁比（D/t）值變化：當(dāng)D/t=28～35（彈性擠毀），高抗擠套管的抗擠強度高出API標(biāo)準(zhǔn)15%～30%，鋼級越高提高幅度越明顯；D/t=21～28（彈塑性擠毀），高抗擠套管的抗擠強度高出API標(biāo)準(zhǔn)25%～35%，并與鋼級、壁厚成正比變化；D/t=13～21（塑性擠毀），高抗擠套管的抗擠強度高出API標(biāo)準(zhǔn)30%～45%，根據(jù)鋼級、壁厚的不同而變化；D/t∧13（屈服擠毀），套管的抗擠強度可高出API標(biāo)準(zhǔn)40%～65%，此時殘余應(yīng)力的影響已不再重要；因此，選材時應(yīng)具體問題具體分析。

3 注水開發(fā)井套管的選擇

3.1 2 000 m以內(nèi)的淺井

2 000 m以內(nèi)淺井的油層套管多為Φ139.7 mm的J55、K55或N80鋼級，其中J55、K55鋼級的普通抗擠（T）套管，臨界抗擠強度比API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高15%以上，N80鋼級普通抗擠套管的臨界抗擠強度比API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高20%［6］?？煽紤]在油層井段、注水層裂縫地層段和油層以上的上覆巖壓力地層段使用抗擠套管，當(dāng)然也可以考慮通井使用。注水開發(fā)淺井油層套管的選擇見表1。

表1 注水開發(fā)淺井油層套管的選擇

3.2 3 000～4 500 m中深井

3 000 ～4 500 m中深井注水開發(fā)套管選擇分兩種情況：①油層套管井段，針對注水開發(fā)引起的上覆巖層壓力變化，地層裂縫應(yīng)力和位移，選擇普通抗擠或高抗擠（TT）套管，其中普通抗擠套管的抗擠強度比API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高15%，高抗擠套管的抗擠強度比 API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高 15%～45%［7］（表 2）；②針對各種巖層的封固，選擇高抗擠套管（表3）或特厚壁的非API抗擠套管（表4），其中特厚壁由于壁厚增加，抗擠強度比同鋼級的API套管高很多。

表2 注水開發(fā)中深井油層套管的選擇

表3 注水開發(fā)中深井巖層封固井段套管的選擇

表4 注水開發(fā)中深井巖層封固井段特厚壁套管的選擇

3.3 5 000～8 000 m深井、超深井

5 000 ～8 000 m深井、超深井注水開發(fā)套管的選擇分以下幾種情況：①油層套管井段，針對注水開發(fā)引起的上覆巖層壓力變化、地層裂縫應(yīng)力和位移，以及套管柱內(nèi)壓高等特點，選擇厚壁、高鋼級、高抗擠油層套管，其抗擠強度比API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高30%以上，同時具有高強度、高抗內(nèi)壓等特點（表5）；②針對各種復(fù)雜地層的封固，選擇高鋼級、高抗擠套管（表6）或特厚壁的非API抗擠套管，其中特厚壁套管僅下在封固巖層井段，由于壁厚異常增加，其抗擠強度比API標(biāo)準(zhǔn)鋼級高出很多，而其他抗擠技術(shù)套管，臨界抗擠強度高出API標(biāo)準(zhǔn)鋼級 15%（T）～45%（TT）［8-9］；③尾管段，綜合井眼內(nèi)壓和地層壓力，選擇厚壁、高鋼級、高抗擠套管；④深井、超深井多層套管柱的設(shè)計，針對管柱壓力高、地層壓力高、固井質(zhì)量要求嚴(yán)格、施工難度大等特點，可考慮選擇非API的高強度、高抗擠厚壁套管（表7）。

表5 深井、超深井油層套管的選擇

表6 深井、超深井復(fù)雜地層封固井段套管的選擇

表7 深井、超深井多層套管柱的選擇

4 結(jié) 語

注水開發(fā)井套管損壞主要發(fā)生在距油層段較近的斷裂地層裂縫附近的井段，以及存在泥巖層、鹽巖層或膏巖層的井段，損壞形式主要表現(xiàn)為錯斷、縮徑、擠扁、失圓、不均勻變形以及附加彎曲的折彎。注水開發(fā)套管的損壞問題十分嚴(yán)重，通過適當(dāng)提高套管的鋼級、壁厚，開發(fā)并合理選用高抗擠套管，可以有效地預(yù)防注水井套管損壞。

［1］肖敏，肖繼威.對中原油田開發(fā)幾個問題的思考［J］.斷塊油氣田，2011，18（5）：602-606.

［2］張志全，游園，何永明，等.注水開發(fā)引起泥巖層套管損壞機理研究［J］.石油鉆采工藝，2009，31（5）：101-104.

［3］王仲茂.油田油水井套管損壞的機理及防治［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［4］Han Jianzeng，Shi Taihe.Equations calculate collapse pressures for casing strings［J］.Oil&Gas Journal，2001，99（4）：44-47.

［5］Han Jianzeng，Shi Taihe.Non-uniform loading affects casing collapse resistance［J］.Oil&Gas Journal，2001，99（25）：45-48.

［6］王軍，韋奉，王濤，等.高抗擠套管開發(fā)現(xiàn)狀分析［J］.焊管，2013，36（1）：24-28，31.

［7］EI-Sayed A H，Khalaf F.Resistance of cemented concentric casing strings under non-uniform loading［J］.SPE Drilling Engineering，1992，7（1）：59-64.

［8］宓小川，董曉明，田青超.超高抗擠套管的織構(gòu)研究［J］.寶鋼技術(shù)，2010（1）：43-47.

［9］田青超，董曉明，郭金寶.超高抗擠套管產(chǎn)品的開發(fā)［J］.鋼管，2008，37（6）：32-36.

Selection of Casings for Water-flooding Development Well

ZHANG Yi，LI Jing
（Wuxi Seamless Oil Pipe Co.，Ltd.，Wuxi 214028，China）

Analyzed are the characteristics staying with damaging of casings used in the water-flooding development well.Based on the analysis，it is pointed out that the key approach to solving the problem of such damaging is developing and properly selecting high anti-collapse casings.Moreover，proposal for specifically selecting high anti-collapse casings is put forward as follows.For shallow wells with depth under 2 000 m，anti-collapse production casings are considered to be used for the reservoir section，water-flooding crack stratum section，and overburden pressure stratum section above the reservoir， or be used through out the entire well； for medium-deep wells with depth ranging as 3 000～4 500 m，selection of casings can be done according to the two major conditions，i.e.，production casing well section and various stratum cementing sections；and for deep and extra-deep wells with depth ranging as 5 000～8 000 m，the selection can be made as per the four conditions，i.e.，production casing well section，various complex stratum cementing sections，tail casing section，and multi-layer casing strings in extra-deep wells.

oil field；water-flooding development；casing damage；high anti-collapse casing；collapse strength

TG115.5；TE931+.2

B

1001-2311（2014）03-0064-06

張 毅（1955-），男，教授級高級工程師，從事油井管的腐蝕研究工作。

2013-02-18；修定日期：2014-01-16）